Изображение, сделанное аппаратом Планетарного общества LightSail 2 25 ноября 2019 года во время его миссии на орбите Земли.Недавнее исследование, представленное Acta Astronautica, исследует потенциал использования аэрографитных солнечных парусов для путешествий на Марс и в межзвездное пространство, что может значительно сократить время и топливо, необходимые для таких миссий. Это исследование появилось во время продолжающихся исследований использования солнечных парусов, проводимых множеством организаций наряду с успешной миссией LightSail2 Планетарного общества, и обладает потенциалом для разработки более быстрых и эффективных двигательных установок для долгосрочных космических миссий.
“Движитель солнечных парусов обладает потенциалом для быстрой доставки небольших полезных грузов (до килограмма) по всей Солнечной системе”, - говорит доктор Рене Хеллер, который является астрофизиком из Института исследований Солнечной системы Макса Планка и соавтором исследования Universe Today. “По сравнению с обычным химическим двигателем, который может выводить сотни тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту и доставлять значительную ее часть на Луну, Марс и далее, это звучит смехотворно мало. Но ключевая ценность технологии солнечных парусов - скорость”.
В отличие от обычных ракет, которые используют топливо в виде химических веществ для воздействия внешней силы на заднюю часть космического корабля, солнечным парусам топливо не требуется. Вместо этого они используют солнечный свет для своего двигателя, поскольку гигантские паруса улавливают солнечные фотоны так же, как ветряные паруса улавливают ветер при движении по воде. Чем дольше развернуты солнечные паруса, тем больше улавливается солнечных фотонов, что постепенно увеличивает скорость космического корабля.
Для исследования исследователи провели моделирование того, как быстро солнечный парус, изготовленный из аэрографита массой до 1 килограмма (2,2 фунта), включая 720 граммов аэрографита с площадью поперечного сечения 10 4 квадратных метра, может достичь Марса и межзвездной среды, также называемой гелиопаузой, используя две траектории от Земли, известные как методы прямого переноса наружу и внутреннего переноса, соответственно.
Метод прямого переноса как для полета на Марс, так и для прохождения гелиопаузы вовне включал в себя развертывание солнечного паруса и его отправку непосредственно с полярной орбиты вокруг Земли. Исследователи определили, что Марс, находящийся в оппозиции (прямо напротив Земли от Солнца) во время развертывания солнечных парусов и отлета от Земли, даст наилучшие результаты как по скорости, так и по времени в пути. Это же развертывание на полярной орбите и отправление также использовалось для траектории гелиопаузы. Что касается метода переноса внутрь, солнечный парус будет доставлен примерно на 0,6 астрономических единиц (AU) от Солнца с помощью традиционных химических ракет, где солнечный парус развернется и начнет свое путешествие либо к Марсу, либо к гелиопаузе. Но как аэрографитовый солнечный парус делает это путешествие более осуществимым?
Изображение художником предстоящей миссии NASA Solar Cruiser, запуск которая запланирована на февраль 2025 года, пример типа солнечных парусов, разрабатываемых для этого последнего исследования.
“Благодаря своей низкой плотности в 0,18 килограмма на кубический метр аэрографит превосходит все обычные материалы для солнечных парусов”, - рассказывает [Нам]Universe Today Джулиус Карлапп, научный сотрудник Дрезденского технологического университета и ведущий автор исследования. “По сравнению с майларом (металлизированная полиэфирная фольга), например, плотность на четыре порядка меньше. Предполагая, что тяга, создаваемая солнечным парусом, напрямую зависит от массы паруса, результирующая сила тяги намного выше. В дополнение к преимуществу в ускорении, механические свойства аэрографита поразительны”.
С помощью этих симуляций исследователи обнаружили, что метод прямого переноса наружу и метод внутреннего переноса привели к тому, что солнечный парус достиг Марса за 26 и 126 дней соответственно, причем первые 103 дня - это время в пути от Земли до точки развертывания в 0,6 а.е. Для путешествия к гелиопаузе оба метода потребовали 5,3 и 4,2 года соответственно, причем первые 103 дня метода переноса внутрь также были посвящены времени в пути от Земли до точки развертывания в 0,6 а.е., а также. Причина, по которой гелиопауза достигается быстрее при методе переноса внутрь, заключается в том, что солнечный парус достигает максимальной скорости за 300 дней, в отличие от достижения максимальной скорости при методе переноса наружу примерно за 2 года.
Текущее время полета к Марсу колеблется в пределах 7-9 месяцев, что происходит только в определенные окна запуска каждые два года, при этом положение обеих планет должно совпадать как при запуске, так и при прибытии любого космического корабля, отправляющегося на Марс или возвращающегося с Марса. Оценить текущее время полета до гелиопаузы можно с помощью зондов НАСА "Вояджер-1" и "Вояджер-2", которые достигли гелиопаузы примерно через 35 и 41 год соответственно.
Исследователи отмечают, что одним из основных вопросов использования солнечных парусов является замедление по прибытии в пункт назначения, в частности на Марс, и хотя они упоминают аэрозахват в качестве одного из решений, они признают, что это все еще требует дальнейшего изучения.
“Маневры воздушного захвата по гиперболическим траекториям (например, полет с Земли на Марс) используют атмосферу для постепенного снижения скорости из-за лобового сопротивления”, - говорит доктор Мартин Таймар, физик и профессор космических систем Дрезденского технологического университета и соавтор исследования, сообщает Universe Today. “Таким образом, для выхода на марсианскую орбиту требуется меньше топлива. Мы используем этот маневр торможения, чтобы исключить необходимость в дополнительных тормозных двигателях, что, в свою очередь, уменьшает массу космического корабля. В настоящее время мы исследуем, какие альтернативные стратегии могли бы сработать для нас. Однако метод торможения - это лишь одна из множества различных проблем, с которыми мы в настоящее время сталкиваемся”.
Хотя технология солнечных парусов была предложена НАСА еще в 1970-х годах, недавним примером технологии солнечных парусов является NASA Solar Cruiser, запуск которого в настоящее время запланирован на февраль 2025 года.
Какие новые открытия сделают исследователи в области технологии солнечных парусов в ближайшие годы и десятилетия? Только время покажет, и именно поэтому мы занимаемся наукой!
